Biokemister vid Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) har använt ett standardelektronkryomikroskop för att uppnå förvånansvärt bra bilder som är i nivå med de som tagits av långt mer sofistikerad utrustning. De har lyckats bestämma strukturen för ferritin nästan på atomnivå. Deras resultat publicerades i tidningen PLOS ONE .

Elektronkryomikroskopi har blivit allt viktigare under de senaste åren, särskilt för att belysa proteinstrukturer. Utvecklarna av den nya tekniken tilldelades Nobelpriset för kemi 2017. Tricket:proverna fryses snabbt och bombarderas sedan med elektroner. Vid traditionell elektronmikroskopi, allt vatten extraheras först från provet. Detta är nödvändigt eftersom utredningen sker i ett vakuum, vilket innebär att vatten skulle avdunsta omedelbart och göra ombildning omöjlig.

Dock, eftersom vattenmolekyler spelar en så viktig roll i biomolekyler, särskilt i proteiner, de kan inte undersökas med traditionell elektronmikroskopi. Proteiner är bland de viktigaste byggstenarna i celler och utför en mängd olika uppgifter. Fördjupad kunskap om deras struktur är nödvändig för att förstå hur de fungerar.

Forskargruppen som leds av Dr. Panagiotis Kastritis, som är gruppledare vid Center for Innovation Competence HALOmem och juniorprofessor vid Institutet för biokemi och bioteknik vid MLU, skaffade ett toppmodernt elektronkryomikroskop 2019. "Det finns inget annat mikroskop som det i Halle, "säger Kastritis. Den nya Thermo Fisher Glacios 200 kV, finansieras av det federala ministeriet för utbildning och forskning, är inte det bästa och dyraste mikroskopet i sitt slag.

Ändå, Kastritis och hans kollegor lyckades bestämma strukturen för järnlagringsproteinet apoferritin ner till 2,7 ångströms (Å), med andra ord, nästan ner till den enskilda atomen. En ångström motsvarar en tiondel av en nanometer. Detta sätter forskargruppen i en liknande liga till avdelningar med mycket dyrare utrustning. Apoferritin används ofta som ett referensprotein för att bestämma prestandanivåerna för motsvarande mikroskop.

Nyligen, två forskargrupper slog nytt rekord med en upplösning på cirka 1,2 Å. "Sådana värden kan bara uppnås med mycket kraftfulla instrument, som bara en handfull forskargrupper runt om i världen har till sitt förfogande. Vår metod är utformad för mikroskop som finns i många laboratorier, "förklarar Kastritis.

Elektronkryomikroskop är mycket komplexa enheter. "Även små feljusteringar kan göra bilderna värdelösa, "säger Kastritis. Det är viktigt att programmera dem korrekt och Halle har teknisk expertis för att göra detta. Men analysen som görs efter att data har samlats in är lika viktig." Mikroskopet producerar flera tusen bilder, "förklarar Kastritis.

Bildbehandlingsprogram används för att skapa en 3D-struktur av molekylen. I samarbete med professor Milton T. Stubbs från Institute of Biochemistry and Biotechnology vid MLU, forskarna har utvecklat en ny metod för att skapa en högupplöst modell av ett protein. Stubbs forskargrupp använder röntgenkristallografi, en annan teknik för att bestämma strukturen hos proteiner, vilket kräver att proteinerna kristalliseras. De kunde kombinera en modifierad form av en bildanalysteknik med bilderna som tagits med elektronens kryo-mikroskop. Detta gjorde laddningstillstånd och enskilda vattenmolekyler synliga.

"Det är en attraktiv metod, "säger Kastritis. Istället för att behöva mycket dyra mikroskop, det krävs mycket datorkapacitet, som MLU har. Nu, förutom att använda röntgenkristallografi, elektronkryomikroskopi kan användas för att producera bilder av proteiner-särskilt de som är svåra att kristallisera. Detta möjliggör samarbete, både inom och utanför universitetet, om strukturanalys av prover med medicinsk och bioteknisk potential.